高中物理第17章波粒二象性3粒子的波动性学案新人教选修.docx

3粒子的波动性学习目标1.知道光的本性的认识史了解光的波粒二象性及其对立统一关系.2.了解粒子的波动性，知道物质波的概念.3.了解什么是德布罗意波，会解释有关现象一、光的波粒二象性导学探究人类对光的本性的认识的过程中先后进行了一系列实验，比如：光的单缝衍射实验(图A)光的双孔干涉实验(图B)光电效应实验(图C)光的薄膜干涉实验(图D)康普顿效应实验等等(1)在以上实验中哪些体现了光的波动性？哪些体现了光的粒子性？(2)光的波动性和光的粒子性是否矛盾？答案(1)单缝衍射、双孔干涉、薄膜干涉体现了光的波动性光电效应和康普顿效应体现了光的粒子性(2)不矛盾大量光子在传播过程中显示出波动性，比如干涉和衍射当光与物质发生作用时，显示出粒子性，如光电效应、康普顿效应光具有波粒二象性知识梳理(一)人类对光的本性的研究学说名称微粒说波动说电磁说光子说波粒二象性代表人物牛顿惠更斯麦克斯韦爱因斯坦实验依据光的直线传播、光的反射光的干涉、衍射能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波的速度光电效应、康普顿效应光既有波动现象，又有粒子特征内容要点光是一群弹性粒子光是一种机械波光是一种电磁波光是由一份一份光子组成的光是具有电磁本性的物质，既有波动性，又有粒子性(二)光的波粒二象性1.2光子的能量和动量(1)能量：h.(2)动量：p.3意义：能量和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量；波长和频率是描述物质的波动性的典型物理量因此h和p揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系即学即用判断下列说法的正误(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性()(2)光子数量越大，其粒子性越明显()(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子()(4)光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子()二、物质波导学探究德布罗意认为任何运动着的物体均具有波动性，可是我们观察运动着的汽车，并未感觉到它的波动性，你如何理解该问题？答案波粒二象性是微观粒子的特殊规律，一切微观粒子都存在波动性，宏观物体(汽车)也存在波动性，只是因为宏观物体质量大，动量大，波长短，难以观测知识梳理对物质波的认识1粒子的波动性(1)德布罗意波：任何运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它相对应，这种波叫物质波，又叫德布罗意波(2)物质波波长、频率的计算公式为，.(3)我们之所以看不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体的动量太大，德布罗意波长太小的缘故2物质波的实验验证(1)实验探究思路：干涉、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象(2)实验验证：1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，得到了电子的衍射图样，证实了电子的波动性(3)说明人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性，对于这些粒子，德布罗意给出的和关系同样正确物质波也是一种概率波即学即用判断下列说法的正误(1)一切宏观物体都伴随一种波，即物质波()(2)湖面上的水波就是物质波()(3)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性()一、光的波粒二象性的理解1大量光子产生的效果显示出波动性；个别光子产生的效果显示出粒子性2光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量和其他物质相互作用时，粒子性起主导作用；在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的大小(概率)，由波动性起主导作用，因此称光波为概率波3频率低、波长长的光，波动性特征显著，而频率高、波长短的光，粒子性特征显著4光子的能量与其对应的频率成正比，而频率是描述波动性特征的物理量，因此h揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系例1(多选)对光的认识，以下说法中正确的是()A个别光子的行为表现出粒子性，大量光子的行为表现出波动性B高频光是粒子，低频光是波C光表现出波动性时，就不具有粒子性了；光表现出粒子性时，就不再具有波动性了D光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的波动性表现得明显，在另外某种场合下，光的粒子性表现得明显答案AD解析个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性；光与物质相互作用，表现为粒子性，光的传播表现为波动性，光的波动性与粒子性都是光的本质属性，频率高的光粒子性强，频率低的光波动性强，光的粒子性表现明显时仍具有波动性，因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律，故正确选项为A、D.针对训练1关于光的波粒二象性，下列理解正确的是()A当光子静止时有粒子性，光子传播时有波动性B光是一种宏观粒子，但它按波的方式传播C光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可以用波动规律来描述D大量光子出现的时候表现为粒子性，个别光子出现的时候表现为波动性答案C解析光子是不会静止的，大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性，故A、D错误；光子不是宏观粒子，光在传播时有时看成粒子有时可看成波，故B错误；光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可以用波动规律来描述，故C正确二、对物质波的理解例2质量为10 g、速度为300 m/s在空中飞行的子弹，其德布罗意波长是多少？为什么我们无法观察到其波动性？答案2.211034 m由于子弹的德布罗意波长极短，无法观察到其波动性解析由德布罗意波长公式可得 m2.211034 m.因子弹的德布罗意波长太短，故无法观察到其波动性针对训练2(多选)下列说法中正确的是()A物质波也叫德布罗意波B物质波也是概率波C光波是一种概率波D光波也是物质波答案ABC解析物质波，又称德布罗意波，是概率波，指空间中某点某时刻可能出现的几率，其中概率的大小受波动规律的支配，故A、B正确光波具有波粒二象性，波动性表明光波是一种概率波，故C正确由于光子的特殊性，其静止质量为零，所以光不是物质波，故D错误德布罗意波长的计算(1)首先计算物体的速度，再计算其动量如果知道物体动能也可以直接用p计算其动量(2)再根据计算德布罗意波长(3)需要注意的是：德布罗意波长一般都很短，比一般的光波波长还要短，可以根据结果的数量级大致判断结果是否合理1下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是()A有的光是波，有的光是粒子B光子与电子是同样的一种粒子C光的波长越长，其波动性越显著；光的波长越短，其粒子性越显著D大量光子的行为往往表现出粒子性答案C解析一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，有些行为(如光电效应)表现出粒子性，A错误虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以B错误光的波粒二象性的理论和实验表明，大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著；光的波长越短，其粒子性越显著，故选项C正确，D错误2下列关于德布罗意波的认识，正确的解释是()A任何一个物体都有波和它对应，这就是物质波BX光的衍射证实了物质波的假设是正确的C电子衍射证实了物质波的假设是正确的D宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体不具有波动性答案C解析运动的物体才具有波动性，A项错；宏观物体由于动量太大，德布罗意波长太小，所以看不到它的干涉、衍射现象，但仍具有波动性，D项错；X光是波长极短的电磁波，是光子，它的衍射不能证实物质波的存在，B项错3关于光的本性，下列说法中正确的是()A关于光的本性，牛顿提出“微粒说”，惠更斯提出“波动说”，爱因斯坦提出“光子说”，它们都说明了光的本性B光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子C光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性D光的波粒二象性是将牛顿的粒子说和惠更斯的波动说真正有机地统一起来答案C解析光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子说解释这个现象要区分题中说法和物理史实与波粒二象性之间的关系C正确，A、B、D错误4电子经电势差为U200 V的电场加速，电子质量m09.11031 kg，求此电子的德布罗意波长答案8.69102 nm解析已知m0v2EkeUpEk所以把U200 V，m09.11031 kg，代入上式解得8.69102 nm.一、选择题(17题为单选题，89题为多选题)1下列各组现象能说明光具有波粒二象性的是()A光的色散和光的干涉 B光的干涉和光的衍射C泊松亮斑和光电效应 D光的反射和光电效应答案C解析光的干涉、衍射、泊松亮斑是光的波动性的证据，光电效应说明光具有粒子性，光的反射和色散不能说明光具有波动性或粒子性，故选项C正确2下列说法中正确的是()A物质波属于机械波B只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性C德布罗意认为任何一个运动的物体，小到电子、质子、中子，大到行星、太阳都有一种波与之相对应，这种波叫物质波D宏观物体运动时，看不到它的衍射和干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性答案C解析任何一个运动的物体都具有波动性，但因为宏观物体的德布罗意波长很短，所以很难看到它的衍射和干涉现象，所以C项对，B、D项错；物质波不同于宏观意义上的波，故A项错3关于物质波，下列说法正确的是()A速度相等的电子和质子，电子的波长长B动能相等的电子和质子，电子的波长短C动量相等的电子和中子，中子的波长短D甲电子的速度是乙电子的3倍，甲电子的波长也是乙电子的3倍答案A解析由可知，动量大的波长短，电子与质子的速度相等时，电子动量小，波长长，A正确；电子与质子动能相等时，由动量与动能的关系p可知，电子的动量小，波长长，B错误；动量相等的电子和中子，其波长应相等，C错误；如果甲、乙两电子的速度远小于光速，甲的速度是乙的3倍，甲的动量也是乙的3倍，则甲的波长应是乙的，D错误42002年诺贝尔物理学奖中的一项是奖励美国科学家贾科尼和日本科学家小柴昌俊发现了宇宙X射线源X射线是一种高频电磁波，若X射线在真空中的波长为，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以和p分别表示X射线每个光子的能量和动量，则()A，p0 B，pC，p0 D，p答案D解析根据h，且，c可得X射线每个光子的能量为，每个光子的动量为p.5如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们的()也相等A速度 B动能 C动量 D总能量答案C解析根据德布罗意波长公式，选C.6关于光子和运动着的电子，下列论述正确的是()A光子和电子一样都是实物粒子B光子能发生衍射现象，电子不能发生衍射现象C光子和电子都具有波粒二象性D光子具有波粒二象性，而电子只具有粒子性答案C解析物质可分为两大类：一是质子、电子等实物；二是电场、磁场等，统称场光是传播着的电磁场根据物质波理论，一切运动的物体都具有波动性，故光子和电子都具有波粒二象性综上所述，C选项正确7利用金属晶格(大小约1010 m)作为障碍物观察电子的衍射图样，方法是使电子通过电场加速后，让电子束照射到金属晶格上，从而得到电子的衍射图样已知电子质量为m，电荷量为e，初速度为0，加速电压为U，普朗克常量为h，则下列说法中不正确的是()A该实验说明了电子具有波动性B实验中电子束的德布罗意波长为C加速电压U越大，电子的衍射现象越不明显D若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显答案D解析实验得到了电子的衍射图样，说明电子这种实物粒子发生了衍射，说明电子具有波动性，故A正确；由动能定理可得，eUmv20，电子加速后的速度v，电子德布罗意波的波长，故B正确；由电子的德布罗意波的波长公式可知，加速电压U越大，电子德布罗意波的波长越短，衍射现象越不明显，故C正确；物体动能与动量的关系是p，由于质子的质量远大于电子的质量，所以动能相同的质子的动量远大于电子的动量，由可知，相同动能的质子的德布罗意波的波长远小于电子德布罗意波的波长，波长越小，衍射现象越不明显，因此相同动能的质子代替电子，衍射现象将更加不明显，故D错误8人类对光的本性的认识经历了曲折的过程下列关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是()A牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的B光的双缝干涉实验显示了光具有波动性C麦克斯韦预言了光是一种电磁波D光具有波粒二象性答案BCD解析牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒，爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量，显然A错；干涉、衍射是波的特性，光能发生干涉说明光具有波动性，B正确；麦克斯韦根据光的传播不需要介质，以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验证实了光的电磁说，C正确；光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，D正确9下表列出了几种不同物体在某种速度下的德布罗意波长和频率为1 MHz的无线电波的波长，根据表中数据可知()质量/kg速度/(ms1)波长/m弹子球2.01021.01023.31030电子(100 eV)9.110316.01061.21010无线电波(1 MHz)3.01083.0102A.要检测弹子球的波动性几乎不可能B无线电波通常只能表现出波动性C电子照射到金属晶体上能观察到它的波动性D只有可见光才有波粒二象性答案ABC解析弹子球的波长相对太小，所以检测其波动性几乎不可能，A正确；无线电波波长较长，所以通常表现为波动性，B正确；电子波长与金属晶体尺度差不多，所以能利用金属晶体观察电子的波动性，C正确；由物质波理论知，D错误二、非选择题10如图1所示为证实电子波存在的实验装置，从F上漂出来的热电子可认为初速度为零，所加的加速电压U104 V，电子质量为m